后排樁傾斜的雙排樁主要作用模式研究
2019-10-20 05:21:27劉攀
磚瓦世界·下半月 2019年5期
劉攀
摘 要：雙排樁是近年來(lái)新興的一種護(hù)結(jié)構(gòu)，與其他支護(hù)結(jié)構(gòu)體系相比，具有支護(hù)深度大，易于土方開(kāi)挖，縮短工期等多個(gè)優(yōu)點(diǎn)，是特殊條件下進(jìn)行基坑支護(hù)設(shè)計(jì)的重要可選方案。本文基于雙排樁拉錨作用模式和自重作用模式，首次提出后排樁傾斜的思想，研究分析了不同后排樁傾斜角度以及不同排距等因素對(duì)后排樁傾斜的雙排樁主要作用模式的影響，對(duì)完善和改進(jìn)雙排樁設(shè)計(jì)理論具有重要意義。
關(guān)鍵詞：雙排樁;ABAQUS;傾斜樁;穩(wěn)定性
雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)是大面積深基坑支護(hù)的重要可選方案，雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)受力合理、側(cè)向位移小，已經(jīng)在一些工程中得到應(yīng)用并取得了成功，但在基坑開(kāi)挖深度很大時(shí)，雙排樁也會(huì)因?yàn)槠錁渡砦灰坪蜆渡韮?nèi)力過(guò)大而不再適用。尤其在繁華的市區(qū)對(duì)深基坑工程進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)[1]，對(duì)于支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定、變形[2]等安全問(wèn)題，是設(shè)計(jì)人員要考慮的重要因素，為了實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的支護(hù)效果，對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的選型和構(gòu)造處理的深化與改進(jìn)極為重要。
本文基于雙排樁的兩種作用模式創(chuàng)新性的提出后排樁傾斜的設(shè)想，事實(shí)上，就目前而言，打設(shè)具有一定傾斜角度的預(yù)制樁已不難實(shí)現(xiàn)，提出用適當(dāng)角度的傾斜排樁代替原雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的后排樁，期望可以在相同的條件下充分發(fā)揮雙排樁的支護(hù)效果，改善支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力特性，充分利用樁體材料的性能，減小雙排樁的樁身變形和內(nèi)力。
一、工程背景
擬建項(xiàng)目地下兩層，站房負(fù)1層配套停車(chē)服務(wù)設(shè)施建筑面積約21760m2， 站房負(fù)2層配套服務(wù)設(shè)施建筑面積約為21760m2。基坑呈不規(guī)則狀，大小約280m×130m，基坑開(kāi)挖深度10.45～11.95m，屬于深基坑。因此，本工程基坑開(kāi)挖面積大，條件復(fù)雜，支護(hù)要求高，圍護(hù)結(jié)構(gòu)基坑安全等級(jí)為一級(jí)。
二、計(jì)算模型
（一）基本計(jì)算方案
基坑開(kāi)挖深度為10m，樁的嵌固深度為10m，將模型中前排樁樁長(zhǎng)設(shè)置為20m，后排樁樁長(zhǎng)設(shè)置為
本文對(duì)后排樁傾斜的雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)提出以下兩個(gè)研究方案。
1、后排樁傾斜角度對(duì)雙排樁主要作用模式的影響分析。本文在保持其他參數(shù)不變的情況下，僅僅通過(guò)主動(dòng)設(shè)置不同的后排樁傾斜角度，探究雙排樁結(jié)構(gòu)是否可以有效的抵抗水平荷載的作用，減小樁身位移和樁身彎矩，以及抗傾覆穩(wěn)定性是否可以得到提高。在這里，分別選取后排樁傾斜角度為0°、10°、20°等3種工況，建立不同的ABAQUS有限元計(jì)算模型。
2、排距不同對(duì)后排樁傾斜的雙排樁主要作用模式的影響分析。在最優(yōu)傾斜角的情況下，改變排距，在這里分別選取2D，4D，6D，8D等4種工況，建立不同的ABAQUS有限元計(jì)算模型。
（二）基本假設(shè)和樁土材料參數(shù)
木文選用的Mohr-Coulomb模型是一種理想彈塑性模型，它綜合了胡克定律和Coulomb破壞準(zhǔn)則。有5個(gè)參數(shù)，即控制彈性行為的2個(gè)參數(shù)—彈性模量和泊松比，以及控制塑性行為的3個(gè)參數(shù)一有效黏聚力、有效內(nèi)摩擦角和剪脹角，適用于穩(wěn)定性分析。
1、排樁、梁及土體均采用8節(jié)點(diǎn)六面體三維單元（C3D8）;
2、雙排樁在工作過(guò)程中，當(dāng)土體進(jìn)入極限狀態(tài)時(shí)，樁仍處于線(xiàn)彈性變形階段，也就是說(shuō)土體比樁提前進(jìn)入塑性狀態(tài)，因此，雙排被建立為線(xiàn)彈性模型;
3、假定地下水埋深高度為0.000，初始地應(yīng)力平衡時(shí)均采用浮密度計(jì)算;
4、模型底部土體采用對(duì)稱(chēng)約束，假定轉(zhuǎn)角和位移均為零，模型側(cè)面土體假定水平方向位移為零。
三、后排樁傾斜的雙排樁主要作用模式影響因素分析
（一）傾斜角對(duì)后排樁傾斜的雙排樁主要作用模式影響分析
1、樁的位移分析
后排樁傾斜的雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)相當(dāng)于一個(gè)插入土體的剛架，與常規(guī)雙排樁的工作機(jī)理類(lèi)似，但用后排樁傾斜一定角度的雙排樁作基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)，能有效減少樁頂位移和樁身受力，提高雙排樁抗傾覆能力，這是因?yàn)楹笈判睒逗蟮闹鲃?dòng)土壓力比后排豎樁樁后土壓力更小，樁后具有滑動(dòng)趨勢(shì)的楔形體要更小。由此可知：
（1）樁底側(cè)移最小，前排豎直樁樁的最大樁身側(cè)移不是在樁頂，而是出現(xiàn)在樁頂以下大約4m處，這是因?yàn)檫B梁的作用，極大約束樁頂?shù)膫?cè)移，充分體現(xiàn)了后排樁拉錨作用。（2）后排樁傾斜的雙排樁的樁身位移變化規(guī)律與常規(guī)雙排樁大致相似，且隨著后排樁傾角的增加，雙排樁樁頂?shù)奈灰泼黠@減小，甚至整個(gè)樁身的位移都有了極大地減小。對(duì)于前排樁而言，當(dāng)后排樁傾角從0°增大到10°時(shí)，樁頂位移值由60.4mm減小到49.6mm，減小幅度達(dá)到18%;而后排樁傾角從10°增大到20°時(shí)，減小幅度很小。對(duì)于后排傾斜樁而言， 整個(gè)樁身的位移與前排垂直樁相當(dāng)，變化趨勢(shì)也大致相同。
2、樁的彎矩分析
基坑開(kāi)挖至10m，并在基坑周邊加載10kPa時(shí)，前、后排樁樁身彎矩隨后排樁傾斜角不同的變形曲線(xiàn)。由此可知：
（1）不同傾角下雙排樁樁身彎矩圖形狀大體相似，最大正負(fù)彎矩產(chǎn)生的位置基本保持不變，均是相當(dāng)于一個(gè)插入土體的剛架，能夠靠基坑以下樁前土的被動(dòng)土壓力和剛架插入土中部分的前樁抗壓、后樁抗拔所形成的力偶來(lái)共同抵抗傾覆力矩。
（2）隨著傾斜角度的增大，前后排樁的樁身最大彎矩值均有所減小，說(shuō)明增大傾斜角度可以減小樁身內(nèi)力，這主要是因?yàn)閮A斜后排樁代替垂直后排樁進(jìn)行基坑支護(hù)時(shí)，后排樁后具有滑動(dòng)趨勢(shì)的楔形體要比樁垂直時(shí)的楔形體要小。
（3）樁身最大彎矩值的位置都有所上移，筆者認(rèn)為是傾角的增大導(dǎo)致基坑開(kāi)挖面以下前后排樁間的排距增大，后排樁樁身大部分位于潛在滑裂面以外，從而加強(qiáng)了后排樁對(duì)前排樁的錨拉作用，即通過(guò)樁頂連梁拉住前排樁，這時(shí)雙排樁的工作機(jī)理可能會(huì)部分轉(zhuǎn)為錨拉樁。
四、結(jié)語(yǔ)
本文在總結(jié)前人研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，基于雙排樁主要作用特點(diǎn)提出后排樁拉錨作用首次提出后排樁傾斜的概念，利用ABAQUS軟件建立了后排樁傾斜的雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)模型，得出了一些比較有價(jià)值的結(jié)論：
（1）后排樁傾斜角越大，雙排樁抗傾覆穩(wěn)定性逐步得到加強(qiáng)，樁身內(nèi)力和位移也逐漸減小，可以體現(xiàn)自重穩(wěn)定性的特征，但增大到一定程度后，對(duì)樁身位移和內(nèi)力的減小也是有限的，這主要是傾角的增加增強(qiáng)了雙排樁的錨拉作用，此時(shí)，雙排樁的工作機(jī)理可能部分轉(zhuǎn)化為錨拉樁，建議合理的后排樁傾斜角為10°。
（2）在實(shí)際工程中，如果采用后排樁為傾斜的雙排樁，可以充分發(fā)揮樁體材料的承載能力，不僅在節(jié)省材料和降低造價(jià)方面很有優(yōu)勢(shì)，而且可以極大的提高雙排樁的支護(hù)效果。
參考文獻(xiàn)：
[1]程知言， 裘慰倫， 張可能，等. 雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算方法探討[J]. 地質(zhì)與勘探， 2001， 37（2）：88.
[2]聶慶科， 胡建敏， 吳剛. 深基坑雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)上的變形和土壓力研究[J]. 巖土力學(xué)， 2008， 29（11）：3089-3094.
